Contributions to heart rate variability and respiratory rate analysis through video imaging techniques

Abstract

The present doctoral thesis proposes a series of methods that have as a general objective the non-contact evaluation of heart rate variability (HRV) and respiratory rate (BR) through video imaging. The proposal of this technique has emerged in the last few years as an alternative to the traditional measurement systems, which assess these and other physiological parameters through direct contact with the person’s body. Due to this condition, the traditional systems may cause some complications in people who present a sensitive or fragile skin, such as neonates or patients with burn injuries. Furthermore, although the video imaging technique could be an excellent alternative, as in the cases mentioned above, it also aims at being a monitoring instrument for the general population in non-clinical environments. In fact, nowadays, the use of electronic devices such as the video cameras, smartphones, tablets and others, it starts being part of a healthy lifestyle. Thus, this promising technique, which could provide advantages such as the contactless measurement, portability, easy use and low-cost, it could be employed in the near future as part of the evaluation of the person’s health status in everyday life. On the other hand, despite the aforementioned advantages, the measurements obtained by this technique may be greatly affected by factors such as the movement of the person, lighting conditions, camera settings, among others. Hence, an analysis of the influence of various factors and conditions is carried out in this research study in order to obtain a better insight of the scope and limitations of the technique. For this purpose, a series of methods were developed and implemented in which face detection and tracking algorithms are employed, as well as image and signal processing techniques. The results obtained in each study are evaluated by using various statistical parameters and plots with the aim of measuring the agreement between the proposed methods and the reference systems. In general, the statistical analysis carried out shows a good level of agreement between the measurement systems. It is important to note the presence of an impact on the results, to a greater or lesser extent, by the factors and conditions analyzed in the different studies. In several cases, the results show a significant improvement in comparison with the data reported in related studies. By contrast, the results achieved in scenarios with a greater presence of artifacts show a decrease in the agreement of the measurements. This contactless technique may eventually become an instrument to detect physical or psychological disorders in the future. Nevertheless, its use for this purpose will depend on the progress of the technique over the coming years, since it is still in the research and development phase. Therefore, more improvements are necessary to reach the reliability achieved by the current reference systems and, particularly, if its application in real-life scenarios is considered. The development of more robust algorithms is required in order to suppress, as much as possible, the contribution of artifacts present in a real environment. Consequently, the acquisition of measurements in several real-life scenarios, longer recordings, and the analysis of more factors that could influence the performance of the technique constitute some objectives for future work.

En la presente tesis doctoral se proponen una serie de métodos los cuales tienen como objetivo general la evaluación sin contacto de la variabilidad de la frecuencia cardíaca y la frecuencia respiratoria mediante imagen de video. La propuesta de esta técnica ha surgido en los últimos años como una alternativa a los sistemas de medida tradicionales, los cuales evalúan estos y otros parámetros fisiológicos a través de contacto directo con el cuerpo de la persona. Debido a esta condición, los sistemas tradicionales podrían ocasionar algunas complicaciones en personas que presentan una piel sensible o frágil, tal como los recién nacidos o pacientes con lesiones por quemaduras. Además, aunque la técnica de imagen de video podría ser una excelente alternativa, como en los casos mencionados previamente, ésta también tiene como objetivo ser un instrumento de monitorización para la población en general en entornos no clínicos. De hecho, hoy en día, el uso de dispositivos electrónicos tales como las cámaras de video, teléfonos inteligentes, tabletas y otros, empieza a ser parte del seguimiento de un estilo de vida saludable. Así, esta prometedora técnica, la cual podría proporcionar ventajas tales como la medición sin contacto, portabilidad, fácil uso y bajo costo, podría ser utilizada en un futuro cercano como parte de la evaluación del estado de salud de una persona en la vida cotidiana. Por otra parte, a pesar de las ventajas mencionadas, las mediciones adquiridas mediante esta técnica pueden ser afectadas en gran medida por factores tales como el movimiento de la persona, las condiciones de iluminación, las ajustes de la cámara, entre otros. Por tanto, en este trabajo de investigación se lleva a cabo un análisis de la influencia de varios factores y condiciones para obtener una mejor comprensión del alcance y las limitaciones de la técnica. Para este propósito, se han desarrollado e implementado una serie de métodos en los cuales se aplicaron algoritmos de detección facial y seguimiento, así como también técnicas de procesamiento de imágenes y señales. Los resultados obtenidos en cada estudio son evaluados a través de distintos parámetros estadísticos y gráficos con el objetivo de medir el acuerdo entre los métodos propuestos y los sistemas de referencia. En general, el análisis estadístico llevado a cabo muestra un buen nivel de concordancia entre los sistemas de medida. Es importante tener en cuenta la presencia de un impacto en los resultados, en mayor o menor medida, por los factores y condiciones analizados en los distintos estudios. En varios casos, los resultados muestran una mejoría significativa en comparación con los datos reportados en estudios relacionados. Por el contrario, los resultados adquiridos en escenarios con una mayor presencia de artefactos muestran una disminución en el acuerdo de las medidas. Esta técnica sin contacto podría eventualmente convertirse en un instrumento para detectar trastornos físicos o psicológicos en el futuro. No obstante, su uso para este objetivo dependerá del progreso de la técnica en los próximos años, ya que ésta se encuentra aún en fase de investigación y desarrollo. Por lo tanto, mayores mejoras son necesarias para alcanzar la fiabilidad que se consigue con los sistemas de referencia actuales y, particularmente, si se plantea su aplicación en escenarios reales. El desarrollo de algoritmos más robustos es requerido a fin de suprimir, tanto como sea posible, la contribución de artefactos presentes en un entorno real. Por consiguiente, la adquisición de medidas en varios escenarios de la vida real, registros de más larga duración, y el análisis de una mayor cantidad de factores que podrían influir al desempeño de la técnica constituyen algunos de los objetivos para trabajo futuro